预测异形纳米粒子之间的力
杜克大学的材料科学家设计了一种简化的方法来计算导致纳米粒子自组装成更大结构的吸引力。有了这个新模型，再加上一个展示其强大功能的图形用户界面，研究人员将能够对各种形状的纳米粒子如何相互作用做出以前不可能的预测。这种新方法为合理设计此类粒子提供了机会，可用于从利用太阳能到驱动催化反应的广泛应用。
结果于 11 月 12 日在线发表在Nanoscale Horizons杂志上。
“多面纳米粒子可以导致新的组装行为，这在过去从未被探索过，”机械工程系的Brian Hyun-jong Lee 说。杜克大学和材料科学研究生、该论文的第一作者。” “立方体、棱柱、棒等都表现出明显的距离和方向相关的粒子间相互作用，可用于创建独特的粒子组装，这是通过球形粒子的自组装无法获得的。”
杜克大学机械工程和材料科学副教授 Gaurav Arya 补充说：“每次我浏览最新发表的纳米技术论文集时，我都会看到这些类型的纳米粒子的一些新应用。” “但是准确计算在非常近的范围内将这些粒子拉在一起的力在计算上非常昂贵。我们现在已经展示了一种方法，可以将这些计算速度提高数百万倍，同时只会损失少量的准确性。”
纳米粒子之间的作用力称为范德华力。根据复杂的量子物理学定律，这些力的产生是由于围绕原子运行的电子密度发生了微小的暂时性变化。虽然这些力比库仑力和氢键等其他分子间相互作用弱，但它们无处不在，并在每个原子之间起作用，通常主导粒子之间的净相互作用。
为了正确解释粒子之间的这种力，必须计算粒子中的每个原子对附近粒子中的每个原子施加的范德华力。即使所讨论的两个粒子都是尺寸小于 10 纳米的极小立方体，将所有此类原子间相互作用相加的计算数量也将达到数千万。
很容易理解为什么在多粒子模拟中尝试对位于不同位置和不同方向的数千个粒子一遍又一遍地执行此操作很快变得不可能。
“已经做了很多工作来制定一个接近解析解的求和，”Arya 说。“一些方法将粒子视为由粘在一起的无限小立方体组成。其他方法尝试用无限薄的圆环填充空间。虽然这些体积离散化策略使研究人员能够获得简单粒子几何形状之间相互作用的解析解，如平行平面或球形颗粒，由于其更复杂的几何形状，此类策略不能用于简化多面颗粒之间的相互作用。”
为了解决这个问题，Lee 和 Arya 采取了不同的方法，进行了一些简化。第一步涉及将粒子表示为不是由立方元素组成，而是由堆叠在一起的各种长度的棒状元素组成。然后该模型假设其投影落在另一个粒子的投影边界之外的棒对整体相互作用能的贡献可以忽略不计。
其余杆提供的能量进一步假定等于与实际杆位于相同法向距离但横向偏移为零的均匀长度杆的能量。最后一个技巧是当距离随实际杆的横向位置线性变化时，使用具有封闭形式解的幂律函数来近似杆 - 粒子能量的距离依赖性，就像刻面的平面相互作用表面的情况一样。粒子。
在完成所有这些简化之后，可以获得粒子间能量的解析解，让计算机轻松通过它们。虽然听起来它们可能会引入大量错误，但研究人员发现，对于所有粒子配置，结果与实际答案平均仅相差 8%，而在最坏的情况下，结果仅相差 25%。
虽然研究人员主要使用立方体，但他们也表明该方法适用于三棱柱、方形杆和方形金字塔。根据纳米粒子的形状和材料，建模方法可能会影响广泛的领域。例如，边缘彼此靠近的银或金纳米立方体可以利用光线并将其聚焦到微小的“热点”中，从而为更好的传感器或催化化学反应创造机会。
“这是第一次有人提出多面粒子之间范德华相互作用的分析模型，”Arya 说。“尽管我们尚未将其应用于计算分子动力学或粒子组装的蒙特卡罗模拟中的粒子间力或能量，但我们希望该模型能够将此类模拟加速多达十个数量级。”
